Auf welche Qualitätsmerkmale Entwickler bei SiC-Bauelementen achten sollten

Bild 1: Durchlasskennlinien von SiC-MOSFETs, die die Unterschiede bei der Verschlechterung der Body-Diode nach Anbieter zeigen. Ohio State University

Die SiC-Technologie erfreut sich nicht nur in Elektromobilitäts-Anwendungen größter Beliebtheit, sondern ist auch in Antriebs- und Motorsteuerungssystemen außerhalb des Automotive-Sektors im breiten Einsatz. Auch Zulieferer für den Luft- und Raumfahrtbereich drängen auf die Qualität und Zuverlässigkeit von SiC, um die strengen Anforderungen dieser Bereiche an die Robustheit der Bauelemente zu erfüllen.

Ein wesentlicher Bestandteil eines SiC-Entwicklungsprogramms ist die Validierung der Zuverlässigkeit und Robustheit der Bauelemente, da sich diese von Anbieter zu Anbieter stark unterscheiden können. Mit zunehmendem Fokus auf das Gesamtsystem müssen Entwickler auch das Produktangebot des Anbieters bewerten. Empfehlenswert ist hier die Zusammenarbeit mit Lieferanten, die flexible Lösungen wie Die-, diskrete und Moduloptionen anbieten – unterstützt durch Support und umfassende Design-Simulations-/Entwicklungstools. Für ein zukunftssicheres Design sind auch neuartige Funktionen wie digital programmierbare Gate-Treiber zu berücksichtigen. Diese beseitigen frühere Implementierungsprobleme und optimieren gleichzeitig die Systemleistungsfähigkeit mit nur einem Tastendruck.

Drei wesentliche Zuverlässigkeits-Tests für SiC-Bauelemente

Drei Tests liefern die Daten, um die Zuverlässigkeit von SiC-Bauelementen zu bewerten:

• die Lawinen-/Avalanche-Fähigkeit,
• die Kurzschlussfestigkeit
• die Zuverlässigkeit der SiC-MOSFET-Body-Diode.

Eine ausreichende Lawinenfähigkeit ist entscheidend: Selbst eine geringfügige Fehlfunktion eines passiven Bauelements kann zu transienten Spannungsspitzen führen, die die Nenndurchbruchspannung überschreiten und schließlich zum Ausfall des Bausteins oder möglicherweise des gesamten Systems führen. SiC-MOSFETs mit ausreichender Lawinenfähigkeit reduzieren den Bedarf an Snubber-/Dämpfungsschaltkreisen und verlängern die Anwendungslebensdauer. Die bestbewerteten Optionen weisen eine hohe UIS-Fähigkeit (Unclamped Inductive Switching) von bis zu 25 J/cm² auf. Diese Bausteine zeigen selbst nach 100.000 RUIS-Tests (Repetitive UIS) nur eine geringe parametrische Verschlechterung.

Bild 2: Modul-Adapterboards kombiniert mit Gate-Treiber-Cores bieten eine Plattform zur schnellen Evaluierung und Optimierung neuer SiC-Leistungselektronikbauteile durch Augmented Switching. Microchip

Der zweite wichtige Test ist die Kurzschlussfestigkeit (SCWT, Short Circuit Withstand Time), d.h. die maximale Zeit bis zum Ausfall des Bauelements bei einem Rail-to-Rail-Kurzschluss. Das Ergebnis sollte in etwa dem von IGBTs entsprechen, die in Leistungswandlern zum Einsatz kommen, von denen die meisten eine SCWT von 5 bis 10 µs aufweisen. Wird eine ausreichende SCWT sichergestellt, können Systeme Fehlerzustände ohne Systemschäden überstehen und verarbeiten.

Eine dritte wichtige Kenngröße ist die Durchlassspannungsstabilität der Body-Diode des SiC-MOSFETs. Diese kann von Anbieter zu Anbieter erheblich variieren. Ohne ordnungsgemäße Verarbeitung und Materialien kann sich die Leitfähigkeit dieser Diode während des Betriebs verschlechtern, was zu einem Anstieg des Drain-Source-Widerstands (R_DSon) im eingeschalteten Zustand führt. Bild 1 verdeutlicht die bestehenden Unterschiede. In einer Studie der Ohio State University wurden MOSFETs von drei Anbietern bewertet.

Lieferung, Support und Design auf Systemebene

Probleme in der Lieferkette sind ein zentrales und berechtigtes Anliegen im schnell wachsenden SiC-Markt. SiC-Substratmaterial ist das kostspieligste Material bei der Fertigung von SiC-Bauelementen. Darüber hinaus erfordert die SiC-Chipfertigung Hochtemperaturanlagen, die für die Herstellung siliziumbasierter Leistungselektronik-ICs nicht erforderlich sind. Entwickler müssen daher sicherstellen, dass SiC-Anbieter über eine solide Lieferkette verfügen, einschließlich mehrerer Fertigungsstandorte bei Naturkatastrophen oder größeren Ertragsproblemen. Nur so ist sichergestellt, dass das Angebot auch die Nachfrage befriedigen kann. Bei vielen Bauteilherstellern laufen nun auch ältere Bauteilgenerationen aus (EOL, End-of-Life), was Entwickler dazu zwingt, Zeit und Ressourcen für ein Redesign einer bestehenden Anwendung zu investieren, anstatt neue innovative Designs zu entwickeln, die dazu beitragen, die Kosten für Endprodukte zu senken und den Umsatz zu steigern.

Designunterstützung ist ebenfalls entscheidend, u.a. durch Simulationstools und Referenzdesigns, um die Entwicklungszyklen zu verkürzen. Mit Lösungen zur Ansteuerung von SiC-Bausteinen können Entwickler neue Funktionen wie erweitertes Schalten (Augmented Switching) erkunden, um den vollen Wert eines Gesamtsystemansatzes zu realisieren. Bild 2 beschreibt ein SiC-basiertes Systemdesign mit einem integrierten, digital programmierbaren Gate-Treiber, der die Zeit bis zur Endfertigung weiter verkürzt und neue Möglichkeiten zur Design-Optimierung schafft.

Neue Optionen für die Design-Optimierung

Tabelle 1: Digital programmierbare Gate-Treiber für erweiterte Schalttechniken (Augmented Switching) helfen, SiC-Rauschprobleme zu beseitigen, das Kurzschlussverhalten zu beschleunigen, Probleme bei Spannungsspitzen zu bewältigen und minimieren die Überhitzung. Microchip

Digital programmierbare Gate-Treiber maximieren die Vorteile von SiC durch Augmented Switching (Tabelle 1). Sie ermöglichen eine einfache Konfiguration der Ein-/Ausschaltzeiten und Spannungspegel von SiC-MOSFETs, sodass Entwickler das Schalten beschleunigen und die Systemeffizienz erhöhen können, während sich der Zeitaufwand und die Komplexität bei der Entwicklung von Gate-Treibern verringert. Anstatt die Leiterplatte manuell zu ändern, lässt sich über eine Konfigurationssoftware das SiC-basierte Design mit einem Tastendruck optimieren, zukunftssicher machen, die Markteinführung beschleunigen sowie die Effizienz und der Fehlerschutz erhöhen.

(na)